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串联式复合地源热泵系统技术经济性分析点击：1834 日期：[ 2014-04-26 21:08:26 ] |
| 串联式复合地源热泵系统技术经济性分析 庄运超 付峥嵘 王汉青 湖南工业大学 摘要：以湖南省株洲市一商业建筑为研究对象，利用ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ能耗模拟软件模拟了其全年负荷。在此基础上对冷却塔与地埋管换热器分别承担不同比例冷负荷时系统的初投资、运行费用、多年运行总费用和全寿命周期成本等进行了计算分析。结果表明，复合式地源热泵系统如果配置不当，不但不会提高系统的经济性，反而会适得其反。 关键词：地源热泵 冷却塔 地埋管换热器 经济性分析 为了提高系统的运行效率和经济性，采用辅助设备的复合地源热泵系统应运而生。目前，在以冷负荷为主的地区，最常用的是冷却塔辅助冷却的复合地源热泵系统［１］（如图１所示）。 用冷却塔辅助散热的地源热泵系统，地埋管换热器的长度可以按照较小的冬季热负荷来确定，而夏季除地埋管承担的排热量以外，多余的排热量由冷却塔承担，这样就能大大缩短地埋管换热器的长度，进而降低整个系统的初投资。复合地源热泵系统虽然减少了地埋管的投资，但同时会增加冷却塔费用。选用较小的冷却塔时，设备的初投资会相应减小，但运行时间会增加，运行费用相应增加；选用较大的冷却塔时，设备的初投资增加，但运行时间会缩短，运行费用相应降低。而且，系统夏季运行中虽然增加了冷却塔循环水泵和风机的能耗，但冷却塔的辅助冷却有助于热泵机组效率的提高，热泵压缩机的能耗会有所降低；而冬季，由于地埋管换热器长度的减小，系统的效率会下降，热泵压缩机的能耗会相应增加。所以，对于整个系统的经济性，还要进行综合的分析。 １ 建筑模型及能耗模拟 模拟研究对象为位于株洲市的一栋商场建筑，营业时间为０８：００—２２：００。建筑共７层，总面积为９ ２００ｍ２。建筑模型如图２所示。 采用能耗模拟软件ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ对建筑进行全年逐时负荷模拟，气象参数采用株洲地区典型气象年的逐时气象参数。模拟结果如图３所示。 然而，在空调系统的实际运行过程中，一般不会出现图３所示的在供冷季需要满足热负荷，或供热季需要满足冷负荷的情况，也不会出现在过渡季节开启机组以满足不大的冷热负荷的情况。所以对以上模拟结果进行了修正，以使其符合实际工程情况，修正后的结果如图４所示。 根据修正结果，建筑夏季最大冷负荷为１ ０６２ｋＷ，冬季最大热负荷为４２０ｋＷ，全年冷负荷总和为１ １６７ ８９１ｋＷ·ｈ，热负荷总和为１１４ ６３９ｋＷ·ｈ。在满足室内热湿环境的情况下，该建筑每年向土壤排放的热量累积值远远大于从土壤吸收的热量累积值，如不采取任何辅助措施，热量会逐年堆积，必然会导致地埋管地源热泵效率逐年降低。本文以该建筑为研究对象，对冷却塔与地埋管换热器承担不同比例冷负荷情况下复合地源热泵系统的初投资和运行费用进行计算分析，得出系统总费用（初投资＋经营成本）随运行时间的变化规律，并从全寿命周期成本方面分析冷却塔与地埋管换热器承担不同比例冷负荷时系统的经济性。 ２ 复合地源热泵系统的技术经济分析 ２．１ 初投资及年运行费用［２－５］ 选用的热泵机组参数为：额定工况制冷量Ｑ＝１ ０６２．５ｋＷ，制冷输入功率Ｗ＝２３０．１ｋＷ，额定工况制热量Ｑ＝９４７．７ｋＷ，制热输入功率Ｗ＝２３１．２ｋＷ。 在ＧＬＤ地源热泵设计软件中输入建筑物冷热负荷、热泵机组参数和株洲地区的典型土壤参数，就可以计算出地埋管管长、热泵机组进出口水温、机组性能系数ＣＯＰ等参数值。软件操作界面如图５所示。 然后，根据建筑物冷热负荷、热泵机组效率，通过式（１），（２）就可以分别计算出冷却塔与地埋管换热器承担不同比例冷负荷时地埋管换热器夏季和冬季所需承担的负荷。 夏季运行时，压缩机功耗产生的热量和建筑物的热量一起排入土壤，构成夏季的地埋管负荷Ｑｄｘ： 冬季运行时，地埋管和土壤的换热量Ｑｄｄ等于建筑物的热负荷减去压缩机的功耗热量： 式（１），（２）中 Ｑｃ为建筑冷负荷；Ｑｈ为建筑热负荷。 当系统为无辅助冷却地源热泵时，机组夏季平均ＣＯＰ为４．１，压缩机功率为０．３１７ＧＷ，夏季地埋管承担的负荷为１．４８５ＧＷ，地埋管管长为２７ ８７９ｍ；机组冬季平均ＣＯＰ为４．３，压缩机功率为２７ＭＷ，冬季地埋管承担的负荷为８８ＭＷ。当冷却塔承担１０％的冷负荷（１１７ＭＷ）时，机组夏季ＣＯＰ有所上升，为４．４，此时地埋管承担负荷为１．４５ＧＷ，所需管长降为２５ １６０ｍ；由于地埋管长度的减小，冬季机组的ＣＯＰ降为４．１，地埋管承担的负荷为８６ＭＷ。假设地埋管管材和埋管施工费用按８０元／ｍ、电价按０．８元／（ｋＷ·ｈ）计，则冷却塔承担不同比例冷负荷的地源热泵系统的初投资和运行费用见表１，２。 从表１可以看出，冷却塔辅助冷却复合地源热泵系统在初投资上要少于无辅助冷却的热泵系统。而且随着冷却塔承担负荷比例的增大，辅助冷却设备的投资也会相应增加，但是热泵地埋管长度有所减小，投资相应降低。对于本文研究的系统而言，总的初投资随着冷却塔承担负荷比例的增大而减少。 在运行费用方面，随着冷却塔承担负荷比例的升高，在夏季运行时，热泵机组的效率会有所提高，运行费用减少，但是同时系统中冷却塔风机、水泵等设备的运行费用增加；而在冬季运行时，由于地埋管换热器长度的减小，热泵机组的效率会下降，机组的运行费用会增加。表２列出了冷却塔承担不同比例冷负荷时系统的年运行费用。结果表明，运行费用随着冷却塔承担冷负荷比例的增加而增加，而且当辅助冷却冷量比例小于４０％时，系统的年运行费用低于无辅助冷却地源热泵系统，而当辅助冷却冷量比例大于４０％时，系统的运行费用将超过无辅助冷却地源热泵系统。 ２．２ 多年运行总费用 影响复合地源热泵系统经济性的因素众多，其中系统的运行控制策略是影响系统运行性能和能耗的重要因素。运行控制策略不同，系统的节能效果和运行费用也不同。目前冷却塔辅助冷却地源热泵系统常用的运行控制策略有： １）控制地埋管换热器的出口流体温度即热泵进水温度（忽略地埋管出口到热泵入口的热损失，认为两处流体温度相等）。当地埋管出口水温超过某设定值时，开启冷却塔；当温度恢复到该设定值时，关闭冷却塔。 ２）控制地埋管换热器的出口水温与当地湿球温度的差值，当差值超过某设定值时，开启冷却塔；当差值恢复到该设定值时，关闭冷却塔。 ３）分时段开启冷却塔。在一天中建筑负荷较大的时段开启冷却塔，使其和地埋管换热器联合运行，在负荷较小的时段关闭冷却塔，热泵单独运行。 鉴于不同的运行策略对系统能耗的影响较为复杂，且此项研究正在进行中，尚未完成，因此本文仅探讨不同系统的总费用随使用年限变化的规律，分析在不同的使用年限内，采用何种辅助冷量比例的系统更为经济。系统总费用按式（３）计算。 Ｃｔ＝Ｃ＋ｎＣｒ（３） 式中 Ｃｔ为系统总费用；Ｃ为初投资；ｎ为设备使用年限；Ｃｒ为年运行费用。 图６中显示了冷却塔承担的冷负荷比例分别为０，２０％，４０％，６０％，８０％时系统总费用的变化趋势。 由图６可以看出，在系统运行的前７年内，冷却塔承担的冷负荷比例越大，系统越经济，冷却塔承担冷负荷比例为８０％时系统最经济。但是在系统运行７年以后，冷却塔承担冷负荷比例越大，系统却越不经济，冷却塔承担冷负荷比例为８０％时系统最不经济；冷却塔承担冷负荷比例过大会导致系统的年运行费用大幅度增加，甚至大于单独热泵系统的年运行费用；辅助冷却冷量比例为２０％和４０％的系统年运行费用较少，其多年运行的总费用比单独地埋管地源热泵系统的总费用低；而辅助冷却冷量比例为６０％和８０％的系统由于年运行费用过大，它们的总费用分别将在系统运行１６年和１２年后超过单独热泵系统的总费用。 由此可知，冷却塔承担不同比例冷负荷时系统在年运行费用方面的差异对系统多年运行总费用起到了决定性的作用，如果在系统的寿命周期内，有辅助冷却系统相对无辅助冷却系统节省的初投资随着系统的运行在若干年后被增加的运行费用抵消，那么辅助冷却系统就是不经济的。 ２．３ 费用年值及全寿命周期成本 目前工程上的技术经济分析方法按是否考虑时间因素可分为静态分析法（不考虑时间因素）和动态分析法（考虑时间因素）。相比于静态分析法，动态分析法不仅计入了资金的时间价值，而且考察了项目在整个寿命期内收入与支出的全部经济数据，它更全面、更科学。本文从系统的全寿命使用周期出发，考察不同辅助冷却冷量比例的系统的费用年值及全寿命周期成本。 费用年值用折算费用表示，包括初投资、年运行费用以及资本投资的净残值，其计算公式如下［６］： 式中 Ｃ０为费用年值；Ｃｍ为年维护费用，取初投资的５％；ｉ为折现率，取１０％；ｎ为设备使用年限，各个设备的使用年限按２０ａ计；Ｓ为资本投资净残值率，本文取４％。 全寿命周期成本ＬＣＣ则综合考虑了系统的初投资、运行成本、维护成本和净残值，并考虑各经济因素的修正，其数学计算模型如下［７］： 当不考虑能源价格变动因素时，式（５）可以简化为 由式（４）～（６）可以计算出冷却塔承担不同比例冷负荷时系统的费用年值和全寿命周期成本，如图７所示。 系统的费用年值主要由年投资成本、年运行费用和年维护费用三部分组成。由图７可以看出，系统的费用年值和全寿命周期成本随着辅助冷却冷量比例的增大而增加。其中，当辅助冷却的冷量比例超过７０％时，系统的全寿命周期成本将超过单独地源热泵系统；辅助冷却冷量比例为２０％时，全寿命周期成本和费用年值都是最低的。对于本文研究的工程而言，采用地埋管系统冷量８０％＋冷却塔系统冷量２０％是最经济的，其全寿命周期成本和费用年值分别比单独地源热泵系统要减少４．６％和５．２％；而采用地埋管系统冷量１０％＋冷却塔系统冷量９０％的系统的全寿命周期成本及费用年值分别比单独地源热泵系统增加８．９％和１４．１％。由此可知，复合式地源热泵系统如果配置不当，不但不会提高系统的经济性，反而会适得其反。 ３ 结论 ３．１ 以株洲地区一栋商场建筑为模型，采用ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ能耗模拟软件对其进行了全年逐时负荷模拟，并根据建筑的实际情况进行了修正。由于夏热冬冷地区自身的气候特点，建筑全年冷负荷远远大于热负荷，若采用传统的地埋管热泵系统，必然会导致系统效率逐年下降。 ３．２ 以该建筑为研究对象，按冷却塔与地埋管换热器承担不同比例的冷负荷，计算出冷却塔承担不同比例冷负荷时系统的初投资及年运行费用，发现系统的初投资随着冷却塔承担冷负荷比例的增大而减小，而年运行费用则随着冷却塔承担冷负荷比例的增大而增加，且当冷却塔承担４０％以上冷负荷时，系统的运行费用将超过单独地埋管系统。 ３．３ 在系统的多年运行总费用（初投资＋运行费用）方面，在不同的使用年限内，各个系统的经济性也不同。在系统运行的前７年内，冷却塔承担冷负荷比例越大的系统越经济，而系统运行７年以后，冷却塔承担冷负荷比例越小的系统越经济，而且如果冷却塔承担冷负荷比例过大，系统的总费用将超过单独地埋管系统。 ３．４ 从系统的费用年值和全寿命周期成本来看，冷却塔承担冷负荷比例为２０％时，其全寿命周期成本和费用年值都是最低的。而当冷却塔承担冷负荷比例超过７０％时，系统的全寿命周期成本将超过单独地埋管系统。 ３．５ 由于影响复合地源热泵系统的因素众多，本文的结论均是基于本文所给的数据得到的，其他的系统可能不适用。 参考文献： ［１］王彬．冷却塔－土壤源混合式热泵的应用研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００６ ［２］曲云霞，张林华，方肇洪．地源热泵系统辅助散热设备及其经济性能［Ｊ］．可再生能源，２００３（４）：９－１１ ［３］陈友明，李季勋．夏季新型混合地源热泵系统经济性分析［Ｊ］．湖南大学学报，２００９，３６（１２）：１１４－１１８ ［４］王景刚．自然工质热泵循环和地源热泵运行特性研究［Ｄ］．天津：天津大学，２００２ ［５］王景刚，孙培杰，王惠想，等．辅助冷却复合地源热泵系统可行性分析［Ｊ］．河北建筑科技大学学报，２００５，２２（３）：８－１０ ［６］刘晓海．双Ｕ型埋管地源热泵土壤温度场的研究与热泵系统的经济性分析［Ｄ］．天津：天津大学，２００７ ［７］王勇，赖道新，范维．基于全寿命周期成本方法的地表水源热泵系统分析［Ｊ］．西安建筑科技大学学报，２０１１，４３（１）：７５－８０ |
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